廖 成 喬 偉

（1.瓦斯災(zāi)害應(yīng)急信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司）

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的瓦斯動力現(xiàn)象，其突發(fā)性和破壞性極強(qiáng)，是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。發(fā)生突出事故時(shí)，采掘工作面周圍煤巖體快速破碎，向巷道拋出或移動，并伴隨有大量瓦斯涌出，會造成人員傷亡、井巷機(jī)電設(shè)備毀壞、礦井通風(fēng)系統(tǒng)破壞，甚至引發(fā)瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等二次事故［1］。WTC-I 瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀是一種便攜式礦用本質(zhì)安全型儀器，主要用于測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值，儀器具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、性能可靠、防潮防塵等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦防止瓦斯災(zāi)害不可缺少的一種先進(jìn)裝備。

現(xiàn)有版本W(wǎng)TC-I 瓦斯突出參數(shù)測定軟件只支持1 臺數(shù)據(jù)采集儀連接1 臺WTC-I 主機(jī)，存在測試效率不夠高、集成和融合程度低、可視化效果差、與煤礦現(xiàn)場防突參數(shù)測定業(yè)務(wù)流程結(jié)合不緊密等局限性，還不能完全滿足新形勢下煤礦防突信息化管理的需求［2］。當(dāng)前《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性時(shí)，測定每鉆進(jìn)2 m 至少測定1 次瓦斯解吸指標(biāo)K1或者△h2值。同時(shí)測定中需要接煤樣、篩選等各種工序，如采取多套同步進(jìn)行則測定工作步驟復(fù)雜，并且造成數(shù)據(jù)分散于各個(gè)參數(shù)測定儀，需要升井之后人工合并。因此，本文基于Android 平臺研發(fā)了WTC-I 瓦斯突出參數(shù)測定并發(fā)測量軟件，支持1臺數(shù)據(jù)采集儀連接多臺WTC-I 主機(jī)，并且測量鉆孔結(jié)束時(shí)能夠給自動存儲、能遠(yuǎn)程傳輸?shù)降孛娴姆劳恍畔⑾到y(tǒng)服務(wù)器，有效提高瓦斯突出參數(shù)測定效率和數(shù)據(jù)管理水平［3］。

1 關(guān)鍵技術(shù)

煤與瓦斯突出參數(shù)測量軟件包括WTC-I 瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀（以下簡稱WTC-I 主機(jī)）、YHC11 礦用本安型數(shù)據(jù)采集儀預(yù)裝Android 系統(tǒng)（以下簡稱數(shù)據(jù)采集儀）和防突信息管理系統(tǒng)三部分組成。數(shù)據(jù)采集儀通過藍(lán)牙模塊與WTC-I 主機(jī)進(jìn)行無線交互，其關(guān)鍵是對多臺WTC-I 主機(jī)的連接管理、與并發(fā)數(shù)據(jù)交互、整合管理，以及測量軟件的交互設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲，界面展示等軟件系統(tǒng)。

1.1 WTC-I與數(shù)據(jù)采集儀的連接與通訊

數(shù)據(jù)采集儀通過藍(lán)牙模塊與WTC-I 主機(jī)進(jìn)行無線交互，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)測量過程需要建立連接、數(shù)據(jù)交互、整合管理。各個(gè)模塊的詳細(xì)說明如下：

（1）建立連接。礦用智能手機(jī)需要能夠掃描到WTC-I主機(jī)；需要1個(gè)模塊來負(fù)責(zé)連接不同的WTC-I主機(jī)，通過整合模塊管理對應(yīng)編號WTC-I主機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)交互。交互過程用WTC-I 主機(jī)密碼驗(yàn)證、數(shù)據(jù)同步、掉線重連等業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。

（3）整合管理。礦用智能手機(jī)與WTC-I 主機(jī)通過相應(yīng)的藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包，需要一個(gè)唯一的ID來確認(rèn)這個(gè)數(shù)據(jù)包所屬WTC-I 主機(jī)。當(dāng)?shù)V用手機(jī)接收到WTC-I 主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存、拼包、過濾得到1個(gè)有效包。

1.2 數(shù)據(jù)采集儀測量終端實(shí)現(xiàn)技術(shù)

數(shù)據(jù)采集儀預(yù)裝的Android 8.0以上系統(tǒng)，所以上文的通訊框架使用Android 系統(tǒng)下低功耗藍(lán)牙模塊（BLE）的基礎(chǔ)上以數(shù)據(jù)采集儀作為主機(jī)，以WTC-I主機(jī)作為從機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。Android 的BLE API 主要分為Bluetooth Adapter 對藍(lán)牙進(jìn)行基本操作，例如開啟藍(lán)牙掃描。Bluetooth Device代表一個(gè)遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備，Bluetooth GATT 用來讀取和寫入特征值。WTC-I 終端與android 主機(jī)的連接流程如下：

WTC-I 主機(jī)進(jìn)行并發(fā)測量時(shí)需同時(shí)對多個(gè)終端建立數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)交互，也需要對多個(gè)通訊流程進(jìn)行維護(hù)［4］。所以對藍(lán)牙通訊過程進(jìn)行面向?qū)ο蟮臉I(yè)務(wù)提取、分析。數(shù)據(jù)連接階段提取為掃描器、連接器、BLE藍(lán)牙設(shè)備管理等對象。數(shù)據(jù)交互階段提取為接收數(shù)據(jù)拼包、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)分發(fā)器等對象，其中最重要為BLE 藍(lán)牙設(shè)備管理（BLE Logic Device）對象，APP每連接1個(gè)設(shè)備，就開辟1個(gè)對象，且每個(gè)對象分配1 個(gè)唯一ID，通過這個(gè)ID 就可以管理對應(yīng)藍(lán)牙設(shè)備，如圖1所示。

基于Android 界面設(shè)計(jì)，主要使用了Android 的View組件和View對象來實(shí)現(xiàn)并發(fā)管理和連接不同的顯示層面。設(shè)計(jì)的目的是提高測量終端的使用效率和用戶體驗(yàn)，讓用戶可以在一個(gè)界面上查看和控制多個(gè)終端的狀態(tài)，其優(yōu)勢是可以根據(jù)用戶的需求，靈活地切換和調(diào)整不同終端的顯示方式和操作方式，同時(shí)保證了界面的簡潔和美觀［5］。測量界面如圖2所示。

2 構(gòu)架設(shè)計(jì)

防治煤與瓦斯突出參數(shù)測定管理流程分為井下數(shù)據(jù)采集和地面管理分析。通常一個(gè)礦井配置有多臺數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行同時(shí)測量或輪換測量，測量完畢后可上傳數(shù)據(jù)到地面防突參數(shù)地面管理系統(tǒng)，才能夠?qū)θV井參數(shù)進(jìn)行分類存儲與統(tǒng)計(jì)分析，以了解整個(gè)礦井的突出參數(shù)測定結(jié)果。整體架構(gòu)效果如圖3所示。

防突參數(shù)地面管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果展示分析平臺，管理整個(gè)礦井的采煤、掘進(jìn)面、掘進(jìn)工作量、防突工作量。防突鉆孔示意圖等信息主要供通風(fēng)防突技術(shù)主管、通風(fēng)副總及總工程師等領(lǐng)導(dǎo)使用，這類用戶要求體驗(yàn)良好、操作簡單方便、不安裝或少安裝程序、瀏覽器兼容性要求較高（支持主流的IE、Firefox、Google Chrome 等瀏覽器）［6］。同時(shí)設(shè)計(jì)防突參數(shù)同步信息獲取與上傳服務(wù)，數(shù)據(jù)采集儀可以同步相應(yīng)的工作面信息，并且在測量完成后上傳采集的測量結(jié)果［7］。

3 軟件實(shí)現(xiàn)與操作

防突細(xì)則規(guī)定，采用鉆屑指標(biāo)法預(yù)測煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性時(shí)，預(yù)測鉆孔從2 m 深度開始，每鉆進(jìn)1 m測定該段的全部鉆屑量Smax，每鉆進(jìn)2 m至少測定1 次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1或者△h2值［4］。假設(shè)1個(gè)鉆孔轉(zhuǎn)進(jìn)10 m，1臺WTC 主機(jī)取樣需要30秒，完成1 次測定需要5.5 min 左右。目前防突參數(shù)測定方式為1 臺數(shù)據(jù)采集儀配對1 臺WTC-I 主機(jī)，防突鉆機(jī)鉆進(jìn)效率約為1 m/min。為了實(shí)現(xiàn)防突細(xì)則規(guī)定，2 m進(jìn)行1 次鉆屑法測定，而1 臺WTC-I 主機(jī)測定需要接粉、稱重、測量3個(gè)步驟總計(jì)達(dá)6 min。

目前井下測量時(shí)需要停止打鉆等待WTC-I 主機(jī)測定完成，或使用另一套數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測定，前者容易造成突出預(yù)測測定數(shù)據(jù)誤差大，無法準(zhǔn)確及時(shí)測量數(shù)據(jù)，后者同一鉆孔數(shù)據(jù)不同深度測量結(jié)果存在于多臺測量儀，造成數(shù)據(jù)零散雜亂，需人為手工合并錄入于防突信息系統(tǒng)，均無法高效準(zhǔn)確地進(jìn)行測量與統(tǒng)計(jì)分析。

在采掘工作面進(jìn)行突出參數(shù)測定時(shí)，攜帶1臺數(shù)據(jù)采集儀與多臺（以下默認(rèn)使用3 臺）WTC-I 主機(jī)進(jìn)行測定。流程如下：

（1）使用數(shù)據(jù)采集儀分別用藍(lán)模塊牙掃描并連接1#，2#，3#WTC-I 主機(jī)，選擇當(dāng)前進(jìn)行測定的工作面和鉆孔編號之后，選中1#主機(jī)點(diǎn)擊開始接粉，30 s 之后點(diǎn)擊開始測量，測量300 s之后該鉆孔測量完畢，然后選擇2#設(shè)備進(jìn)行測量，當(dāng)2#主機(jī)開始測量時(shí)拿起3#主機(jī)開始測量6 m深度鉆屑。

（2）當(dāng)鉆孔到8 m 深度時(shí)1#WTC-I 主機(jī)已經(jīng)測定完成，并繼續(xù)對8 m 深度進(jìn)行取樣測定。依次類推使用1臺參數(shù)測定儀并搭配多臺WTC-I測量主機(jī)，能夠跟隨鉆機(jī)進(jìn)行及時(shí)、便捷的測量工作。當(dāng)測定完成之后即可對該鉆孔進(jìn)行突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，并且能夠簡便地將存儲結(jié)果上傳到防突信息系統(tǒng)進(jìn)行存儲、分析，減少了人為合并、錄入的工作［8-9］。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

海石灣煤礦作為國內(nèi)少見的煤與二氧化碳突出礦井已進(jìn)入深部開采，主采煤層煤二層厚度0～60.6 m，平均厚度26.8 m，屬特厚煤層，其含煤地層比較復(fù)雜，存在煤層氣和油氣共生的特殊現(xiàn)象，且瓦斯含量高、透氣性差，導(dǎo)致該礦瓦斯治理的任務(wù)重、效果差，嚴(yán)重影響“保、抽、掘、采”平衡和采掘接替，限制了礦井特厚煤層的資源優(yōu)勢和綜采放頂煤開采優(yōu)勢，嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)效率。海石灣煤礦原使用WTC-I數(shù)據(jù)參數(shù)采集儀進(jìn)行瓦斯突出參數(shù)測定，存在3點(diǎn)問題：①測定效率低，單臺設(shè)備無法匹配鉆機(jī)的正常打鉆速度；②操作復(fù)雜，進(jìn)行快速測定時(shí)需多名防突工人同時(shí)對1個(gè)鉆孔進(jìn)行測定；③測定數(shù)據(jù)分散存在于多部數(shù)據(jù)采集儀中，難以管理，且存在錄入失誤的可能性。

WTC-I 突出參數(shù)并發(fā)測量軟件在海石灣煤礦應(yīng)用以后，數(shù)據(jù)采集儀通過并發(fā)測量軟件可同步鉆機(jī)正常鉆進(jìn)速度進(jìn)行測定，避免了多臺參數(shù)采集儀重復(fù)設(shè)置測定參數(shù)等操作，提高井下防突參數(shù)測定的效率。當(dāng)鉆孔轉(zhuǎn)進(jìn)速度為1 m/min 時(shí)，使用原數(shù)據(jù)采集儀測定時(shí)，分別在2，4，8，10，12 m 深度時(shí)進(jìn)行取樣測定，共計(jì)32 min。采用并發(fā)測量數(shù)據(jù)采集時(shí)，進(jìn)行同樣的步驟取樣完成測定時(shí)間為16 min，節(jié)省時(shí)間約50%；測定完成了后通過井下網(wǎng)絡(luò)直接上傳測定結(jié)果，可有效減少地面數(shù)據(jù)整理錄入時(shí)間，又有效避免了人為因素對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。此外，防突信息管理系統(tǒng)可以對瓦斯突出數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理與時(shí)間、工作面等不同維度進(jìn)行分析，能夠有效指導(dǎo)礦井防突工作，并為相鄰工作面防突工作提供參考。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖4 所示，測定時(shí)間對比效果如圖5 所示。

5 結(jié) 語

針對目前WTC-I 主機(jī)與Android 數(shù)據(jù)采集儀一對一的測量效率低，無法同步鉆機(jī)節(jié)奏，而多套設(shè)備測量同一鉆孔又會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)分散，測量結(jié)果難以管理等問題，構(gòu)建開發(fā)了多對一的并發(fā)測量通訊協(xié)議與統(tǒng)一采集計(jì)算上傳軟件，提高了防突鉆孔測定效率、及時(shí)性和準(zhǔn)確率，減少了礦井防突工作人力成本，有效地提升了防突工作效率，為礦井防突工作提供了有力支撐。